多天線終端測試方法的演進、理論與實踐

　　2、MIMO OTA測試方法簡介

　　2.1、MIMO OTA 各測試方案簡介

　　在3GPP 37.977[15] 當(dāng)中，有許多備選的MIMO OTA 測試方案，這些備選方案可以歸結(jié)為4 類，分別由不同的公司主導(dǎo)或支持，本小節(jié)簡要介紹37.977 中提到的這些方案的構(gòu)建方法，并引用了其中的部分圖例(在2013 年11 月3GPP 的一次會議當(dāng)中，由R&S 主導(dǎo)的分解法暫時未被列入37.977 正文)。

　　2.1.1、基于多探頭(Multi-Probes)的測試方案

　　這種測試方法利用暗室(AC，Anechoic Chamber)消除電波的無用反射，基站模擬器(BaseStation Emulator)的信號通過信道仿真器(CE，Channel Emulator，有時也被稱為衰落模擬器Fading Emulator)經(jīng)歷預(yù)定義的信道模型后，通過若干對準(zhǔn)被測物(DUT，Device Under Test)中心的雙極化天線(即多探頭)，經(jīng)空間輻射傳播到DUT，使之經(jīng)歷所需要的信道衰落，觀察并記錄其吞吐量表現(xiàn)。其中一個典型的實現(xiàn)方式如圖4 所示。

　　圖4、暗室中基于多探頭的測試方案

　　目前，雖然有很多公司都生產(chǎn)、設(shè)計信道仿真器，但全球只有英國Anite 及美國Spirent 公司提供的信道仿真器可以支持本方法描述的MIMO OTA 測試，他們完成了信道模型的重建及暗室內(nèi)通過多探頭系統(tǒng)進行的空間域信息的重構(gòu)，因此可以說，在這個方法當(dāng)中，信道仿真器成為了整個測試系統(tǒng)的核心。而諸如法國SATIMO 及美國ETS-Lingen 公司則對整個測試系統(tǒng)提供了軟件支持及系統(tǒng)集成服務(wù)——他們依靠在傳統(tǒng)OTA 認(rèn)證測試中建立的技術(shù)及系統(tǒng)經(jīng)驗，很早就預(yù)見并啟動了MIMO OTA 的研發(fā)工作，但只有當(dāng)信道仿真器在技術(shù)上取得突破之后，整個系統(tǒng)構(gòu)建才變得清晰起來;同時，在各國也有一些支持該方案的本地系統(tǒng)集成商，如日本Microwave Factory，韓國MTG，國內(nèi)HWA-TECH 等。系統(tǒng)集成商一般將完成暗室、多探頭天線、功率放大器、射頻線纜、射頻開關(guān)及測控軟件的設(shè)計與實施，與信道仿真器協(xié)同工作，此外，系統(tǒng)集成商還應(yīng)當(dāng)提供系統(tǒng)校準(zhǔn)與最終系統(tǒng)的信道驗證服務(wù)等。

　　多探頭方案需要在整個球面(3D，3 維信道模型)或水平面(2D，2 維信道模型)建立多個探頭以模擬各個方向(簇)的信號到達角及其角度擴展;如果要實現(xiàn)3D 信道模型，需模擬垂直方向上的信號到達角及其角度擴展，系統(tǒng)則更加復(fù)雜，同時每個雙極化探頭需要連接兩個獨立的信道仿真器物理通道，這意味著多探頭系統(tǒng)的成本將顯著高于其他方案，而實踐證明其校準(zhǔn)和測試復(fù)雜性也同樣高于其他方案。在帶來昂貴與復(fù)雜性的同時，多探頭的優(yōu)點也同樣顯而易見的，這種方法理論上能夠完全可控地再現(xiàn)信道模型，其信道驗證結(jié)果也證明了數(shù)學(xué)模型的預(yù)測，這個測試方法未來將可能升級發(fā)展成為真正的虛擬路程(VDT，Virtual Drive Test)：將終端經(jīng)歷的外場環(huán)境在實驗室里可控地再現(xiàn)，不僅僅是認(rèn)證測試的需要，同時是芯片、終端研發(fā)人員改善新技術(shù)、新算法的必由之路。

　　后文將主要討論基于多探頭的方法技術(shù)細節(jié)，并介紹廣播電視規(guī)劃院所開展的研究工作。

　　2.1.2、基于兩步法(2-Stage)的測試方案

　　兩步法最早由美國安捷倫(Agilent)公司的中國實驗室提出，并一直不斷堅持并完善著他們最初的設(shè)計理念。所謂兩步法，意思是在第一步當(dāng)中通過某種方法，獲取到終端的天線方向圖，在第二步當(dāng)中將獲取得到的天線方向圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入基帶信道仿真器當(dāng)中，然后對DUT 進行傳導(dǎo)測試，以便考量其基帶芯片及天線的整體性能，其典型實現(xiàn)如圖5 所示。

　　圖5、基于兩步法的測試方案(美國安捷倫公司)

　　從理論上說，兩步法與多探頭方法是類似的，都是將DUT 置于模擬的幾何信道模型當(dāng)中，這些信道模型可以是來源于標(biāo)準(zhǔn)模型，也可以是自定義的，只不過多探頭方法是通過構(gòu)建物理暗室及多探頭，用信道仿真器在實際空間中重現(xiàn)信道模型，而兩步法則是將測得的天線方向圖放進基帶信道模擬器當(dāng)中通過軟件仿真的方法對DUT 施加衰落影響。

　　目前，全球只有美國Agilent 公司在主推這種測試方法，圖4 暗室中基于多探頭的測試方案并得到了美國高通公司的支持——在兩步法中，通過芯片獲取天線的方向圖是至關(guān)重要的一步，因此該方法目前要求芯片必須提供這種測試模式。相比于多探頭的方法，兩步法的好處是不需要另外構(gòu)建多探頭系統(tǒng)，相對地降低了投資成本和測試時間成本。然而這種方法通常會受到的質(zhì)疑是：測量一個被測件的性能結(jié)論，其一部分測試數(shù)據(jù)依賴于被測件本身內(nèi)部芯片的報告，這意味著測試者必須額外對芯片進行置信度評估;另一方面，對于未來類似波束賦形(Beamforming)等通過實時改變天線方向圖而改善終端性能的新技術(shù)，兩步法目前暫時還無法支持。而現(xiàn)實的情況是，諸如Apple 公司2013 年新上市的無線網(wǎng)橋產(chǎn)品“Airport Time Capsule”，已經(jīng)聲明支持MIMO 中的波束賦形技術(shù)[1]。

　　2.1.3、基于混響室(RC, Reverberation Chamber) 的測試方案

　　混響室的概念與暗室正好相反，后者盡量避免信號在傳播到DUT 之前經(jīng)歷反射，而前者則通過各種方法使信號在混響室內(nèi)部盡量多地經(jīng)歷反射之后再傳達到終端，以便使DUT經(jīng)歷所謂的瑞利信道，目前至少有兩個公司在3GPP 37.977中聲稱提供了自己的實現(xiàn)方案，見圖6 及圖7。

　　圖6、基于混響室的測試方案(瑞典Bluetest 公司)

　　圖7、基于混響室的測試方案(西班牙Emite 公司)

　　Bluetest 公司的奠基人是來自瑞典Chalmers 理工大學(xué)的Per-Simon Kildal 教授，他在天線設(shè)計的過程中，很早就開始嘗試將混響室應(yīng)用于天線性能測量。他們早期將RC 測量方法于傳統(tǒng)單天線的設(shè)計，然后開始應(yīng)用于MIMO 天線，并做了很多新的定義[22][23]，最近幾年當(dāng)中Per-Simon 與他的博士生陳小明逐漸提出并完善了在混響室中進行有源多天線終端吞吐量測試的方法，即基于RC的MIMO OTA方案[24]~[27]。類似的，西班牙Emite 公司的David Sanchez 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組同樣在天線設(shè)計的過程中使用RC 的方案進行MIMO 天線與終端的測試，并提出了他們的一些新的思路。在這幾年國內(nèi)的客戶試用過程中，Bluetest 公司通過商業(yè)運營在產(chǎn)品適用性建立了不錯的口碑。

　　無論對于無源單天線還是無源多天線，單獨使用RC 進行天線測試一般是基于RC 自身和參考天線的效率，對于真實終端的有源測試，可以認(rèn)為RC 營造了一種瑞利信道的條件，瑞利信道是在單天線終端時代就已提出的概念，而我們從MIMO 信道模型可以看到，寬帶的MIMO 信道模型在時域、頻域、空間域乃至極化域都有了解析，由單獨RC 建立的內(nèi)部瑞利信道既無法反映不同徑的到達時延，也無法控制不同徑的多普勒色散，更無法控制各徑的到達角，只能給出最終信號幅度服從瑞利分布的一個統(tǒng)計模型。為了解決精確描述時延特性等問題，RC 曾經(jīng)考慮使用加入吸波材料引入額外的時延，但這種方法可控制性比較差，而且由于吸波材料的引入將改變K 因子，會使得測量不確定度擴大[27]。

　　在這種情況下，一個混響室與信道仿真器的升級方案——RC+CE——就被提出來，簡單一點說，信號在進入混響室之前，通過信道仿真器加入時延與多普勒頻移，用以彌補原單一RC方案的不足。這種方法雖然一定程度上解決了RC 在模擬信道模型中時延與多普勒時遇到的問題，但在引入信道仿真器的同時也弱化了原單一RC 在經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，同時對于角度擴展、到達角等空間域的信息，由于混響室自身的固有條件限制，仍暫時無法描述。但正因不需描述空間信息，混響室方案的測試速度得以加快，且由于其測試過程中進行了統(tǒng)計平均，使得測試結(jié)果顯得穩(wěn)定，而與此同時混響室方案對MIMO 系統(tǒng)在空間相關(guān)性的驗證能力，尤其是極化鑒別能力大幅下降，在美國摩托羅拉公司Istvan 做的一個實驗中RC 被證明完全無法鑒別終端的極化性能[28]。

　　2.1.4、基于分解法的測試方案

　　由德國R&S 倡導(dǎo)的分解法MIMO OTA 方案，其思想來源于德國RheinMain 大學(xué)的W. L. Schroeder 教授及其博士生馮一飛[29]。其示意圖見圖8。

　　圖8、基于分解法的測試方案(德國R&S 公司)

　　分解法曾經(jīng)被稱為兩通道法，意即在測試過程中，有兩個發(fā)射天線將基站模擬器的信號發(fā)送給DUT，DUT 在水平面旋轉(zhuǎn)，而兩個探頭在垂直面上同時動作，他們首先遇到的一個問題在于DUT 測試位置(角度)與發(fā)射天線位置的選擇。

　　此外，R&S 的工程師聲稱此方法區(qū)別于多探頭全環(huán)法，在于“分解法是一種3D 的測試方法，而多探頭全環(huán)只做水平面2D 測試”，然而實際上，首先他們曲解了3D 信道模型的概念，另一方面，即使是分解法，在同一時刻，兩個發(fā)射天線與DUT實際上是在同一個平面之上。

　　在3GPP RAN4 的2013 年11 月一次會議當(dāng)中，該方法未被列入正文。

　　2.2、多探頭方案國際研究動態(tài)與演進

　　從測試方法的角度上，對于基于信道仿真器與暗室、多探頭的方案，來自各國的研究者各自獨立地上做過大量的研究：芬蘭Pekka Ky?sti 在參考文獻[8] 中詳細闡述了多探頭方案的原理，其中包含兩個信號合成方法：平面波合成(WFS, Wave Field Synthesis)與預(yù)衰落合成(PFS, Pre-Faded signal Synthesis);美國Spirent 公司John Douglas Reed 在參考文獻[30]中闡述使用MIMO OTA 的方法對空間相關(guān)性進行重現(xiàn);丹麥Aalborg 大學(xué)Gert Pedersen 教授帶領(lǐng)他的團隊與Intel 公司合作，自行搭建了暗室、多探頭和測試軟件，對SCME 等信道模型下LTE 終端的測試方法進行了研究，并對多探頭方案的系統(tǒng)配置和驗證給出了測試結(jié)果[31]~[33];美國Apple 公司Matt A.Mow 等人對終端在MIMO OTA 測試過程中與傳導(dǎo)測試中的一致性比較方法進行研究，并申請了專利[34]。芬蘭原赫爾辛基大學(xué)Tommi Latinen 等對平面波合成的多探頭數(shù)量進行了研究[35] ;日本松下公司與東京理工大學(xué)的研究證明了使用信道模擬器和多探頭的方法能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的射頻信道模型，從而利用可控的空域相關(guān)性對MIMO 信道容量進行研究變?yōu)榭赡躘36]，他們同時也給出了系統(tǒng)設(shè)計以及校準(zhǔn)流程的建議[37];英國Anite(前芬蘭Elektrobit)公司很早就展開了MIMO OTA測試可行性的研究，將仿真和實測結(jié)果與參考模型特性進行了對比，結(jié)果表明在大多數(shù)情況下OTA 與參考模型具有很高的一致性，證明了在暗室中可以產(chǎn)生所需的無線信道傳播特性[38]。

　　從信道模型的角度上，2000 年開始，基于射線的多天線信道模型就開始從Tap Delay Line 向Cluster Delay Line 過渡，2003 年3GPP TR 25.996 中定義了SCM，歐洲WINNER 項目進一步推動并細化了基于幾何的隨機信道模型GSCM 的發(fā)展。目前，雖然各個MIMO OTA 方案都在聲稱自己的優(yōu)越性，但一個不爭的事實是，多探頭的信道模型是早于MIMO OTA方案就被工業(yè)與學(xué)術(shù)界認(rèn)可，而其他幾個測試方案一方面對于電波傳播與信道模型涉及不多，另一方面都在將自己的測試結(jié)果與多探頭系統(tǒng)看齊。

　　大約從2008 年開始，全球范圍內(nèi)有三個關(guān)注多入多出信道測試、建模以及MIMO OTA 測試的學(xué)術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化組織，分別在各自的范圍內(nèi)對以上技術(shù)和論題展開交流和討論，他們是：

　　1 . 歐洲COST (European COoperation in Science and Technology)下的COST2100 及其后繼者IC1004

　　2. 北美CTIA(Cellular Telephone Industry Association)

　　3.“ 第三代合作項目”(3GPP)

　　目前在COST IC1004、3GPP 和CTIA 的討論中出現(xiàn)的幾種MIMO OTA 測試方法中，筆者認(rèn)為基于信道仿真器與暗室多天線探頭的方案，能夠?qū)CM 信道模型中所定義的，MIMO 系統(tǒng)性能所依賴的角度擴展AS(Angle Spread)，時延擴展DS(Delay Spread) 等信息進行控制和重現(xiàn)。其他的方案，如，混響室測試方案可以實現(xiàn)快速測試，但無法控制并還原角度擴展等對多天線系統(tǒng)性能有重要影響的信息，所以只能對終端提供有限的性能評估;而兩步法可以利用原SISO 的微波暗室，減少投資，但需要被測設(shè)備能夠支持測試模式，對于未來的波束賦形等新技術(shù)目前也還無法支持;分解法不再保留原來的信道模型的概念，使用統(tǒng)計的方法估算MIMO 系統(tǒng)性能，測試數(shù)據(jù)與真實環(huán)境的對應(yīng)關(guān)系也缺乏數(shù)據(jù)的支持。

　　然而，多探頭測試方案的終極目標(biāo)是實現(xiàn)3D 信號模型，這一方面需要暗室和天線探頭數(shù)量足夠多，另一方面要求信道仿真器提供足夠的物理通道，使得多探頭的3D 方案造價昂貴，很難一步到位。一種循序漸進的方法，是以單簇法作為一個起點，化整為零地建立一個可升級的多探頭系統(tǒng)。引用3GPP 37.977 中的描述，圖9(a) 描述的是多簇法，而(b) 描述的則是單簇法。

　　圖9、多探頭測試方案：多簇法與單簇法

　　簡而言之，在目前廣泛使用的2D 全環(huán)法多簇測試方案中，可以考察終端在不同的信道時延特性、多普勒譜、空間相關(guān)性和交叉極化比下的性能特性，但由于信道模型限制在水平面范圍內(nèi)，所以無法描述來自垂直方向上的來波對終端性能的影響;類似的，在單簇法中，同樣可以考察終端在不同的信道時延特性、多普勒譜、空間相關(guān)性和交叉極化比下的性能評估，但由于限制在單簇范圍內(nèi)，所以無法描述來自不同簇的來波;從這個意義上說，全環(huán)法的多簇，與單簇測試方法，都是多探頭3D 方法的一種折中方案。